基于單片機的鍋爐自動控制系統(tǒng)設計

(寶鋼集團八鋼公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

熱水鍋爐是目前廣泛應用于居民住宅采暖的供熱設備之一。其工作原理是，熱水鍋爐將水進行加熱，當水溫達到要求時，啟動循環(huán)水泵將供熱管道的水進行加壓循環(huán)，從而使住宅內(nèi)的散熱器升溫達到采暖的目的[1-4]。

在供熱期間，由于供熱管道有一定的水量損失，為保證供熱質(zhì)量，必須通過補水泵對鍋爐進行補水。補水的原則是：在設備和管道承壓能力下保證系統(tǒng)水不汽化[5-7]。

傳統(tǒng)的熱水鍋爐供熱系統(tǒng)中，循環(huán)泵的啟動和停止有由人工操作，而補水泵是由安裝在回水管上的電接點壓力表控制的。通過電接點壓力表設定的回水管補水壓力的上下限值，來控制補水泵的停止和工作。其中壓力上限值應不大于管道和鍋爐所承受的最大壓力，壓力下限值應保證系統(tǒng)水不汽化。這種補水控制有如下缺點：補水泵頻繁啟動和停止；補水壓力不恒定；工人勞動強度大，工作環(huán)境差。就各工業(yè)部門的現(xiàn)狀來看，除研制新型節(jié)能鍋爐以外，對現(xiàn)在舊設備進行技術(shù)改造，提高鍋爐的自動化程度也是一項極其重要的途徑[8-9]。

在設計鍋爐自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)方案時，考慮到現(xiàn)在市場上已經(jīng)大量供應新器件，而且這些新器件具有功能更強大、運行更穩(wěn)定、應用更簡單額、升級更方便等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)采用新型80C592單片機和新型數(shù)字式傳感器。系統(tǒng)對鍋爐水位、蒸汽壓力、經(jīng)濟燃燒等系統(tǒng)的熱工過程實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)通過面板操作，實現(xiàn)開工運行、參數(shù)顯示、不停機進行參數(shù)修改和功能設置等。使鍋爐的安全性、操作性大大提高。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)包括信號采集系統(tǒng)、核心控制單元，供水系統(tǒng)，指示系統(tǒng)、操作單元和報警系統(tǒng)。其完成的主要系統(tǒng)功能包括：系統(tǒng)具有高低水位報警，由軟件實現(xiàn)大小泵的控制來實現(xiàn)水位的自動調(diào)節(jié)；系統(tǒng)具有高低壓報警，由軟件控制外圍電磁閥和風機來實現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)；系統(tǒng)具有高低溫報警，由軟件控制外圍電磁閥和風機來實現(xiàn)工作溫度的需求；系統(tǒng)具有無擾動手動切換控制以及緊急情況報警急停功能。該系統(tǒng)的工作原理，本系統(tǒng)是由信號采集裝置，微控制單元，外圍機電設備等組成。利用傳感器，采集鍋爐的高低壓，高低水位，高低極限水位以及溫度信號，將這些信號傳送到核心控制元件單片機進行判斷，以控制外圍相應設備。當系統(tǒng)所收集到的參數(shù)超過系統(tǒng)設定的安全參數(shù)時，系統(tǒng)可以自動急停控制，使鍋爐停止工作。使鍋爐安全穩(wěn)定的工作，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)還采取了手動功能。正常工作時自動狀態(tài)和手動狀態(tài)操作可以隨時無擾動切換。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)分析

汽包水位是鍋爐運行的主要指標,是一個非常重要的被控變量,維持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的首要條件,這是因為:水位過高會影響汽包內(nèi)汽水分離,飽和水蒸汽帶水過多,同時過熱蒸汽溫度急劇下降。該過熱蒸汽作為汽輪機動力的話,將會損壞汽輪機葉片,影響運行的安全性與經(jīng)濟性；水位過低,說明汽包內(nèi)的水量較少,而當負荷很大時,水的汽化速度加快,則汽包內(nèi)的水位變化速度亦隨之加快,如不及時調(diào)節(jié),就會使汽包內(nèi)的水全部汽化,導致爐管燒壞,甚至引起爆炸。因此,在鍋爐控制系統(tǒng)中必須對汽包水位有深入了解并在運行中嚴加控制。

在對水位信號的采集中，使用傳統(tǒng)的電極式傳感儀。考慮到可能受到“虛假液位”的影響，在軟件的編制中，在識別到高極限信號后，同時檢測是否同時處于高溫高壓狀態(tài)，如果是，說明鍋爐處于危險狀態(tài)，必須急停，如果是高溫或高壓狀態(tài)，加上一個延時程序，然后對信號進行重復采集并比較。如果前后比較一致，執(zhí)行報警等程序，反之，則保持原樣運行。

2.2 溫度壓力傳感器

在對溫度壓力等信號采集時，系統(tǒng)可采用最新的數(shù)字式傳感器。該類型傳感器功能強大，具有直接對采集信號進行數(shù)字化處理、顯示和報警設定功能，也可和單片機進行數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中，當采集的信號超出設定參數(shù)時，傳感器即時向單片機發(fā)出電信號，軟件可對這些信號進行識別并作出相應控制。

2.3 CPU選擇

CPU是微機的核心，是決定整機性的關鍵，因此在硬件設計中選取CPU的型號是很重要的。目前國內(nèi)市場上單片機的型號很多，市場上的供應商有美國的Intel， Motorola，在Zilig公司，荷蘭的Philips，日本的NEC，德國的Siemens等公司的單片機。其中Intel公司的MCS-51系列由于其參考資料比較齊全，開發(fā)工具比較完善，在全國工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。因此，在本系統(tǒng)選用MCS-51系列的80C592芯片。

2.4 硬件電路設計

如圖1所示。

圖1 硬件電路示意圖

2.5 抗干擾隔離設計

單片機控制系統(tǒng)和強電控制回路共地是引起干擾的主要原因，因為強電控制回路中的電流和電壓往往很大，并會在強電用電器和地之間形成強大的脈動干擾。這個脈動干擾必然會通過接地不良電阻和電容耦合到單片機主機回路中。消除這些脈動干擾的最有效方法是使單片機弱電部分和強電控制回路隔開，在電氣連接上切斷它們彼此間的耦合通路。在單片機控制系統(tǒng)中,電氣隔離通常可分為單片機對開關量的輸入/輸出隔離和單片機對模擬量的隔離。

2.6 指示系統(tǒng)設計

在系統(tǒng)對設備工作狀態(tài)的指示中,為了達到引起操作人員的注意,采用白熾燈泡指示,由于單片機的輸出驅(qū)動能力小,所以必須增加驅(qū)動器來實現(xiàn)。CJ0451是雙外圍正與驅(qū)動器.圖2所示為采用CJ0451驅(qū)動預熱燈泡的實際接線圖。

圖2 CJ0451驅(qū)動預熱燈泡的實際接線圖

2.7 安全系統(tǒng)設計

當鍋爐水位過高或氣壓過高時，為了保證鍋爐的運行安全，設計了兩個電磁閥，電磁閥1位于鍋爐高極限水位上部，電磁閥2位于鍋爐低極限水位下方。當鍋爐內(nèi)處于高溫高壓狀態(tài)時，打開電磁閥1，釋放一定蒸汽。回到安全壓力時，系統(tǒng)控制電磁閥關閉。當鍋爐內(nèi)水位超過高水位極限時，打開電磁閥2，排出一定體積的水，當水位到高水位時，電磁閥2關閉。在正常工作時，兩個電磁閥的自設狀態(tài)均為閉合狀態(tài)。

2.8 報警系統(tǒng)

為了使現(xiàn)場人員能夠及時地監(jiān)視鍋爐的生產(chǎn)情況，整個系統(tǒng)設計有四個報警系統(tǒng)，即水位上、下限，以及蒸汽壓力上限報警。這里采用軟硬件相結(jié)合的方式進行報警。

系統(tǒng)采用軟件報警程序，即將被測參數(shù)與規(guī)定的上、下限值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果進行報警或處理，整個過程都有軟件實現(xiàn)。要求當系統(tǒng)各參數(shù)全部正常時，綠燈亮。若某一個參數(shù)不正常，將發(fā)出聲光報警信號。由于各位都接有反向驅(qū)動器，所以，當某位為“1”時，該為指示燈亮。本程序的設計思想是設兩種報警模式，一種報警是蜂鳴一定時間后自動停止，用于工作狀態(tài)時出現(xiàn)的不正常狀態(tài)報警，此時鍋爐處于自動調(diào)節(jié)范圍，經(jīng)過自動調(diào)節(jié)可恢復正常工作狀態(tài)。一種是閃光緊急報警，需操作人員手動消音。用于鍋爐處于緊急危險狀態(tài)，必須操作人員緊急處理的情況。

3 軟件設計

軟件程序由主程序和子程序組成，軟件主要抗干擾措施：

3.1 為了防止程序失控設立了軟件陷阱

當程序由于外部干擾或硬件瞬時故障使得程序計數(shù)器偏離了原定的值，如PC應加3，由于上述原因?qū)嶋H加2，程序?qū)巡僮鞔a和和操作數(shù)混淆起來，造成一系列錯誤。為防止這種情況，在RAM中，每隔十幾條指令，把連續(xù)的幾個單元置成＂00＂(空操作)。當程序失控是，只要進入這眾多的軟件陷阱中的任何一個，都會被捕，連續(xù)進行幾個空操作，程序自動恢復正常，繼續(xù)執(zhí)行后面的程序。

3.2 為防止程序死循環(huán)，采用時間監(jiān)視器

即利用計數(shù)器靠系統(tǒng)時鐘進行記數(shù)，當計數(shù)器滿時，將由計數(shù)器產(chǎn)生一個復位信號，強迫系統(tǒng)復位，使系統(tǒng)重新執(zhí)行程序。在正常情況下，每隔一段時間，程序使計數(shù)器清零，這樣，計數(shù)器就不會計滿，因而不會產(chǎn)生復位。但是如果程序陷入死循環(huán)，計數(shù)器將計滿而產(chǎn)生溢出信號，是系統(tǒng)復位，程序重新開始啟動。可以消除外部對程序的干擾。

4 結(jié) 論

采用新型單片機和新型傳感器技術(shù)對鍋爐系統(tǒng)進行自動控制改造，成本低，技術(shù)先進，功能強，硬件電路簡單，軟件設計簡潔，可靠性高，系統(tǒng)二次開發(fā)空間大，很有應用前景。

[1] 何立民編著. 單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[2] 何立民編著. 單片機應用技術(shù)選編(二)[M].北京：北京航空航天大學出版社，1997.

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[5] 李朝青. 單片機原理及其接口技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1998.

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[8] 紀寧南編著. 單片機外圍器件實用手冊(輸入通道器件分冊)[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社，1998.

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